混沌电子邮件加密系统的设计与实现

摘要

随着计算机网络和通信技术的快速发展,电子邮件成为重要应用之一。而大多数电子邮件都是以明文形式传送的,会带来信息安全问题。混沌因其具有初值敏感性、非周期性等这些优良的特性,使得它与密码学之间存在着某种自然的联系。近年来,在混沌基础上设计各种加密算法并用于保密通信中成为了一个重要的研究热点。在传统密码算法中,对称加密算法虽然加密速度比较快,但其加密的密钥空间比较小,容易被攻破；非对称加密算法比较复杂,密码空间比较大,但是其加密速度比较慢,不适合用于加密大附件场合。与传统密码相比,混沌流密码加密算法具有加密速度快,密钥空间大,对初值敏感等优良的特性,提高了密码系统的抗攻击性。本文研究了混沌电子邮件加密系统的设计与实现,主要工作包括以下几个方面:
　　 (1)对混沌的基本理论进行了研究,在Sportt系统的基础上,对方程的系数和形式加以改进得到了新的改进的混沌系统,对构造的混沌系统进行基本动力学分析包括:对称性、平衡点、稳定性、Lyapunov指数和分岔图等特性。在EWB上采用模拟电路方式设计并实现了混沌系统,实验发现得到的相图与MTLAB仿真得到的吸引子相图一致,验证了系统的混沌特性。
　　 (2)对密码学的基本理论进行了研究,并介绍了几种密码系统的分类。从不同的角度对密码学和混沌之间的联系加以分析比较,最终归纳阐述了几种混沌密码系统设计的思路。为今后将混沌密码用于保密通信领域奠定了理论基础。
　　 (3)为了得到混沌伪随机序列,构造了连续混沌系统的离散化系统以及其量化的理论模型,然后采用Altera公司的FPGA开发板,并结合DSP Builder、MATLAB/Simulink和QuartusⅡ软件来获取数字混沌序列。同时还通过D/A转化得到了混沌系统的吸引子相图与仿真的结果一致。
　　 (4)混沌伪随机序列的性能对密码系统安全性影响重大,为了评估序列性能的好坏,需要对混沌序列的性能进行测试分析。目前比较流行的方式是采用NIST美国国家标准技术研究院提供的测试标准来测试序列,它包括15项性能指标。测试结果表明,混沌伪随机序列能通过统计性测试。
　　 (5)通过分析比较各种传统的加密算法,结合混沌系统本身的优良特性设计实现了一种基于混沌的电子邮件加密系统,并从初值敏感性、密钥空间、加密速度三个方面分析了电子邮件加密系统的性能。结果表明,该电子邮件加密软件具有密钥空间大、加密速度快、初值敏感、密钥管理方便等优点。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 混沌加密研究背景与意义

1.2 研究现状及发展趋势

1.3 本文的主要内容和结构安排

第二章 混沌理论基础

2.1 混沌基本概念

2.2 混沌系统的主要特征

2.3 几种常见的混沌模型

2.3.1 离散混沌系统模型

2.3.2 连续混沌系统模型

2.4 本章小结

第三章 密码学基础

3.1 密码学基本概念

3.2 密码系统的分类

3.3 混沌密码学

3.3.1 混沌和密码学的联系

3.3.2 混沌密码系统的设计

3.3 本章小结

第四章 一个新的混沌系统设计与实现

4.1 新的混沌系统构造与电路实现

4.1.1 基本动力学分析

4.1.2 Lyapunov指数、分岔图和吸引子相图

4.1.3 电路设计与仿真验证

4.2 基于LabVIEW虚拟仪器混沌函数信号发生器实现

4.2.1 虚拟仪器的概念

4.2.2 LabVIEW简介

4.2.3 混沌信号发生器的实现

4.3 新的混沌系统的FPGA实现

4.3.1 FPGA简介

4.3.2 FPGA及Quartus Ⅱ的开发流程

4.3.3 MATLAB/DSP Builder及其设计流程

4.3.4 混沌序列发生器的设计与实现

4.4 本章小结

第五章 混沌流密码电子邮件加密系统的设计与实现

5.1 各种加密算法比较

5.1.1 对称加密算法

5.1.2 非对称加密算法

5.1.3 流密码加密算法

5.2 混沌序列性能测试

5.2.1 性能测试指标

5.2.2 测试结果分析

5.3 双混沌邮件加密系统的设计与实现

5.3.1 两个离散混沌映射:Logistic映射和正弦迭代映射

5.3.2 混沌流密码加密算法的设计

5.3.3 混沌邮件加密系统的设计与实现

5.4 加密系统的性能分析

5.5 本章小结

第六章 总结及研究展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录